Forskere opdager, hvordan burmolekyler rasler og synger

Et team af energiforskere fra University of Minnesota og University of Massachusetts Amherst har opdaget, at molekylær bevægelse kan forudsiges med høj nøjagtighed, når molekyler begrænses i små nanokager. Deres teoretiske metode er velegnet til screening af millioner af mulige nanomaterialer og kan forbedre produktionen af ​​brændstoffer og kemikalier.

Undersøgelsen er offentliggjort online i ACS Central Science , en førende open-access journal fra American Chemical Society.

Molekyler i luften kan bevæge sig frit, vibrere og tumle, men begræns dem i små nanorør eller hulrum, og de mister meget bevægelse. Det samlede tab i bevægelse har store konsekvenser for evnen til at fange CO2 fra luften, konvertere biomassemolekyler til biobrændstoffer, eller for at adskille naturgas, som alle bruger nanomaterialer med små rør og porer.

Forskere fra Catalysis Center for Energy Innovation med hovedsæde ved University of Delaware nåede deres gennembrud, når de tænkte på at presse molekyler ind i trange rum. I luften, molekyler kan bevæge sig opad, ned, og ud i rummet (tre dimensioner), men i et nanorør var det ikke klart, om molekyler kun kan bevæge sig i en retning (gennem røret) eller to retninger (på rørets overflade). Tilsvarende molekyler kan rotere og dreje på tre måder, men rørkanterne kan forhindre noget eller hele denne bevægelse. Mængden af ​​tabt rotation var den ukendte mængde.

"Vores tilgang var at adskille molekylær tumbling og rotation fra bevægelse i position, "sagde Omar Abdelrahman, en medforfatter af undersøgelsen, der er University of Massachusetts Amherst kemiteknisk assisterende professor og Catalysis Center for Energy Innovation-forsker. "Vi opdagede, at alle molekyler, når de sættes i nanobure, mister den samme mængde bevægelse i position, men mængden af ​​rotation og centrifugering afhængede meget af nanoburets struktur ".

Teamet forbandt molekylær bevægelse med mængden af ​​entropi, som kombinerer alle aspekter af molekylær bevægelse til et enkelt tal. Molekyler mister forskellige mængder entropi, når de får adgang til indersiden af ​​nanoporøse rum, men det har ikke været klart, hvordan strukturen af ​​disse nanospaces påvirkede ændringen i bevægelse og tab i entropi.

"Det lyder måske esoterisk, men entropiændringerne af molekyler på grund af begrænsninger i rotation og bevægelse i position inden for nanoporer afgør, om nanomaterialer vil fungere for tusinder af energi- og separationsteknologier, "sagde Paul Dauenhauer, en medforfatter af undersøgelsen, der er lektor ved kemiteknik og materialevidenskab ved University of Minnesota og forsker ved Catalysis Center for Energy Innovation.

"Hvis vi kan forudsige molekylær bevægelse og entropi af molekyler, så kan vi hurtigt afgøre, om avancerede nanomaterialer vil løse vores mest presserende energiudfordringer, "Tilføjede Dauenhauer.

Evnen til at forudsige entropi og molekylær bevægelse er forbundet med det seneste nanoteknologi -boom. I det sidste årti, forskning i nanomaterialer har udviklet millioner af nye teknologier, der kan gribe, adskille og reagere kulbrinter fra naturgas og biomasse. Imidlertid, hvert af disse tusinder af nanomaterialer har en anden størrelse og form, og det har været for dyrt og tidskrævende at teste disse avancerede nanomaterialer en efter en.

"Denne opdagelse åbner virkelig døren for at forudsige, hvilke nanomaterialer der bliver fremtidens gennembrud, "sagde Dionisios Vlachos, direktøren for Catalysis Center for Energy Innovation og professor ved University of Delaware. "Vi har opfundet flere materialer på computeren, end vi nogensinde kan teste, og nu kan vi hurtigt afgøre på computeren, om disse vil fungere til vores energi- og separationsbehov. "

Fokus på forudsigelse af molekylær bevægelse i nanomaterialer bygger på Catalysis Center for Energy Innovations fokus på design af katalysatorer til omdannelse af biomasse-afledte kulbrinter til biobrændstoffer og biokemikalier. Holdet opdagede for nylig en ny klasse af nanomaterialer kaldet "SPP" eller "self-pillared pentasils, "som er zeolit ​​-nanomaterialer til reaktion og adskillelse af kulbrinter. SPP og andre nanostrukturer har også været nøglematerialerne i opdagelsen af ​​kemiske processer til fremstilling af vedvarende plast til sodavandsflasker og vedvarende gummi til bildæk.

Opdagelsen af ​​en ligning til forudsigelse af molekylær bevægelse i nanomaterialer er en del af en større mission i Catalysis Center for Energy Innovation, et amerikansk Department of Energy-Energy Frontier Research Center, ledet af University of Delaware. Startet i 2009, Catalysis Center for Energy Innovation har fokuseret på transformerende katalytisk teknologi til fremstilling af vedvarende kemikalier og biobrændstoffer fra lignocellulosisk (ikke-mad) biomasse.